- Más allá de la norma
- 13 febrero, 2025
Gemelos digitales en incendios: ¿un avance en el enfoque prestacional?
En este artículo hablamos de:
El análisis prestacional (performance-based design) es un procedimiento que permite evaluar la eficacia de las distintas medidas de seguridad mediante herramientas de Computational Fluid Dynamics (CFD). Estas herramientas permiten reproducir tanto la propagación del fuego y el comportamiento del humo en todo tipo de entornos, proporcionando datos cuantificables tales como la visibilidad en rutas de evacuación, la concentración y temperaturas de los gases tóxicos que se derivan de la combustión.
Dentro de este enfoque, softwares como Fire Dynamics Simulator (FDS), ha sido ampliamente utilizado para realizar éste tipo de cálculos. En concreto, FDS, ha sido desarrollado por el National Institute of Standards and Technology (NIST), y se basa en la resolución de las ecuaciones de Navier-Stokes para modelar flujos de baja velocidad con transferencia de calor por convección y radiación, descomponiendo el espacio en mallas computacionales tridimensionales que permiten resolver las ecuaciones de conservación de masa, energía y cantidad de movimiento.
El proceso de simulación en FDS también incluye un modelo de combustión, basado en la reacción química del fuego con el oxígeno disponible, lo que permite evaluar la disipación térmica y la transferencia de calor en diferentes entornos. Además, su integración con herramientas como Pathfinder posibilita el modelado de evacuaciones, analizando la interacción entre los flujos de gases calientes y el desplazamiento de personas en condiciones de emergencia.
Sin embargo, el desarrollo de los gemelos digitales introduce una nueva forma de abordar la simulación de incendios. Veamos cómo pueden contribuir al enfoque actual.
Limitaciones del FDS
Si bien el uso de herramientas como FDS permite analizar con precisión el comportamiento del fuego y el humo, requiere un paso previo en el que se emplea un periodo de tiempo significativo. En concreto, antes de ejecutar el cálculo requiere una configuración manual detallada, desde la geometría del edificio, incluyendo las propiedades térmicas de los materiales que conforman la envolvente y estructura del mismo y las diferentes medidas de seguridad contra incendios cuyo rendimiento quiere evaluarse. Asimismo, también se define una situación de incendio, a partir de la ubicación del mismo y habitualmente, la curva de potencia que se genera durante su periodo activo, así como la reacción de combustión que se produce.
Este proceso por el que se desarrolla el modelo informático del edificio objeto de estudio, que originalmente se hacía mediante la introducción de código de texto en el programa FDS, de un tiempo a esta parte se lleva a cabo mediante un programa asociado a éste denominado Pathfinder, a través de una interfaz gráfica mucho más amigable y que facilita y agiliza el proceso. En cualquier caso, en función del tamaño y complejidad del edificio, puede requerir de un periodo de tiempo significativo.
Así, cualquier cambio que afecte a las variables que componen el modelo informático, ya sea relativo a la arquitectura del edificio, alguna de sus medidas de seguridad o la propia situación de incendio, obliga a actualizar el citado modelo y ejecutar nuevamente los cálculos.
¿Qué son los gemelos digitales?
Un gemelo digital es una representación virtual de un sistema físico que se actualiza de manera continua mediante la recopilación y procesamiento de datos en tiempo real. Así pues, los gemelos digitales integran datos operacionales, permitiendo una simulación dinámica del comportamiento del sistema modelado. El funcionamiento de un gemelo digital se basa en tres componentes principales:
- Captura de datos físicos: sensores distribuidos en el sistema real miden las diferentes variables como temperatura, presión, velocidad del aire, concentraciones de gases y otros parámetros relevantes y se transmiten a una plataforma de procesamiento.
- Procesamiento y modelado computacional: un software especializado recibe los datos del sistema físico y los procesa mediante modelos matemáticos, algoritmos de inteligencia artificial y simulaciones basadas en dinámica de fluidos computacional (CFD).
- Retroalimentación y actualización: a medida que el sistema experimenta variaciones, el gemelo digital ajusta sus cálculos y simulaciones en tiempo real. Esta capacidad permite analizar escenarios operativos, predecir el comportamiento del sistema y mejorar la toma de decisiones en entornos críticos.
En el campo de la ingeniería de incendios, los gemelos digitales proporcionan una representación digital detallada de un edificio o instalación, integrando variables críticas como temperatura, velocidad del aire, carga de fuego, concentración de gases de combustión y respuesta de los sistemas de protección contra incendios.
Una de sus principales ventajas es la posibilidad de reducir significativamente los tiempos de modelización. Mientras que en la modelización tradicional cada escenario debe parametrizarse manualmente y recalcularse por completo en caso de modificaciones, los gemelos digitales permiten actualizar automáticamente los datos operacionales en el modelo de simulación, eliminando la necesidad de regenerar manualmente cada escenario.
Tecnologías que hacen posible los gemelos digitales
Para que un gemelo digital pueda integrar los datos y actualizar el modelo, es necesario combinar múltiples tecnologías que trabajen en conjunto, permitiendo la captura, procesamiento y simulación de los datos operacionales en entornos complejos.
El modelado 3D y Building Information Modeling (BIM) es fundamental para la construcción de representaciones digitales precisas de edificios e infraestructuras. Estas herramientas permiten visualizar la geometría del edificio y asignar propiedades térmicas y mecánicas a los materiales, lo que facilita la simulación de incendios con un alto nivel de detalle.
Los sensores IoT (Internet of Things) desempeñan un papel clave en la actualización del gemelo digital, proporcionando datos sobre temperatura, presión diferencial, velocidad del aire, concentración de gases y otros parámetros críticos en tiempo real.
La inteligencia artificial y el aprendizaje automático (Machine Learning) permiten analizar estos datos, detectando patrones en la evolución del fuego y la propagación del humo. Gracias a estos algoritmos, el gemelo digital puede anticipar comportamientos en función de datos históricos y ajustar su simulación de manera automática para reflejar mejor la dinámica del incendio.
Finalmente, la simulación basada en dinámica de fluidos computacional (CFD) es la base para conocer el comportamiento del humo y los gases calientes en incendios. La integración de herramientas CFD dentro de un gemelo digital permite realizar cálculos precisos sobre la estratificación térmica, la visibilidad en recorridos de evacuación y la eficiencia de los sistemas de control de humos, todo en un entorno de simulación adaptativo.
Con todo, los gemelos digitales no pretenden reemplazar la modelización tradicional, sino que buscan complementarla al reducir los tiempos de configuración y permitir una evaluación dinámica de incendios. Sin embargo, su adopción aún enfrenta desafíos, como la alta demanda computacional, la falta de regulación específica en estudios prestacionales y la interoperabilidad con herramientas como FDS y BIM. A medida que la tecnología avanza, su integración en la ingeniería de incendios podría redefinir la forma en que se analizan los incendios y se diseñan las estrategias de protección, marcando el inicio de una nueva era en la simulación prestacional.